升温法测试铁道车辆K值的研究及应用

孙德世 李 楠 高成林

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

0 引言

车辆隔热性能是评价车辆性能的重要指标之一[1]，同时也是空调机组选型的重要依据之一[2]。铁道车辆中，车辆隔热性能使用综合传热系数K值表示，按照《铁道客车隔热性能试验方法》（TB/T 1674—1993）[3]或《铁道车辆空调第2部分：型式试验》（GB/T 33193.2—2016）[4]要求，K值采用车内加热的热稳定试验方法，在环境试验室中测得。因车体热容的存在，实际测试中，车辆内部与外部环境达到热平衡的稳定状态常常需要耗费大量时间。因此，为了缩短试验时间，提高试验效率，本文依据升温法测试K值原理[5]，研究了在车内升温阶段快速测试铁道车辆K值的方法，并使用该方法测试了某型号铁道车辆的K值。

1 热稳定法测试K值原理

采用热稳定法测试车辆综合传热系数，要求将车辆置于恒定的环境温度中（如车辆热工试验室），使用电加热器加热车内空气，当车辆内部与外部环境达到热平衡的稳定状态后，由公式（1）计算得到车辆K值：

式中：P为在热稳定状态下输入车内的加热功率（W）；F为车体隔热壁的外表面面积或几何平均面积（m2）；Tin为车内平均温度（℃）；Tout为车外平均温度（℃）。

使用热稳定法测试铁道车辆K值，启动车内电加热器后，车内平均温度随时间的变化如图1所示。

由图1可知，采用热稳定法测试铁道车辆K值过程中，车内平均温度先快速升高，然后逐渐趋于平稳，最终车内温度与车外环境达到热平衡的稳定状态。其中，热稳定状态的判定有严格要求。例如，《铁道客车隔热性能试验方法》（TB/T 1674—1993）标准要求在车辆隔热壁平均温度维持在（22.5±0.5）℃、车内平均温度与车外平均温度的温差维持在（25±1）K的前提下，热稳定时间不少于8 h，其间车外平均温度、车内外温差的波动不得大于±0.5 K，且波动不得单调上升或下降，另外要求热稳定期间车内加热功率波动不得大于3%，且波动不得单调上升或下降。使用热稳定法测试车辆K值时，因车体热容的存在，车辆内部与外部环境完全达到热平衡的稳定状态需耗费大量时间，整个测试过程一般需要2～3天。

2 升温法测试K值原理

采用升温法测试车辆K值，仅需记录车内平均温度的升温数据，无须等待车辆内部和外部环境达到热平衡的稳定状态，即可计算得到车辆K值。

使用升温法测试车辆K值时，同样将车辆置于恒定的环境温度中（如车辆热工试验室），并使用电加热器加热车内空气。保持输入车内的加热功率Qs和车外平均温度tout恒定，那么在升温阶段，只有车内平均温度tin发生变化。假设此时测试得到的车辆瞬时K值为Ks，根据K值计算公式有：

式中：Qs为输入车内的恒定加热功率（W）；Ks为升温阶段的车辆瞬时K值[W/（m2·K）]；F为车体隔热壁的外表面面积或几何平均面积（m2）；tin为车内平均温度（℃）；tout为车外平均温度（℃）。

另一方面，因升温阶段车体热容的存在，实际输入车内的热量一部分由车体隔热壁传出，另一部分由车体吸收，即加热功率Qs又可以写成：

式中：Q0为单位时间内由车体隔热壁传出的热量（J/s）；Q1为单位时间内车体吸收的贮存热量（J/s）。

其中，Q0与车辆真实K值有关，可以写成：

式中：K为车辆真实K值[W/（m2·K）]。

Q1与车体热容有关，假设车辆平均热容量为W，dτ时间内车内温度变化为dt，则Q1可写为：

因此，由公式（2）～（5）可得：

车辆内部与环境温度达到热平衡的稳定状态时，dt/dτ=0，此时Ks=K。记录车内平均温度的升温曲线，如图2所示。根据公式（2）计算得到升温阶段车辆的瞬时K值，绘制车辆瞬时K值随时间的变化曲线如图3所示。

由图2和图3可知，随着车内平均温度的升高，车辆瞬时K值变小，并逐渐趋于车辆真实K值。取车内平均温度上升曲线及车辆瞬时K值曲线上任意两点P1及P2，对应的车内平均温度为t1和t2，车辆瞬时K值为Ks1和Ks2，对应记录时间为τ1和τ2。在升温曲线上，对两点作切线，切线的斜率即为两点处的温度变化率dt/dτ。

根据公式（6），对于P1和P2点分别有：

式（7）（8）中，只有车辆真实传热系数K以及车辆平均热容量W两个未知量，因此，可以求出车辆平均热容量为：

将车辆平均热容量W代入公式（7）或（8），得到车辆真实传热系数K为：

3 升温法测试K值的应用

使用升温法测试某型号铁道车辆K值，按照《铁道车辆空调 第2部分：型式试验》（GB/T 33193.2—2016）标准要求，将车辆置于热工试验室内，布置车内外温度测点以及车内电加热器，设置并保持环境温度约5℃，电加热器功率约8 800 W，记录车内升温数据。图4为车内平均温度的升温曲线，图5为升温阶段车辆瞬时K值变化曲线。

分别取升温过程中第9个小时和第17个小时的温度测试数据，根据上述升温法测试K值原理计算得到该铁道车辆K值为1.178 W/（m2·K），使用升温法测试该铁道车辆K值共耗时20 h。

按照GB/T 33193中热稳定法测试要求，等待车辆内部与环境温度达到热平衡的稳定状态后，测试得到该铁道车辆K值为1.191 W/（m2·K），使用热稳定法测试该铁道车辆K值共耗时53 h。可见，与热稳定法相比，升温法测试得到的车辆K值误差仅为1.1%，同时测试时间仅为热稳定法的一半不到。

4 结语

本文对升温法测试轨道车辆K值的原理进行了分析，并使用升温法对某型号铁道车辆K值进行测试。结果表明，升温法测试轨道车辆K值具有较高的精度，并且该测试方法只记录车内的升温过程，无须等到车辆内部与环境温度达到热平衡的稳定状态，即可快速得到车辆K值。

使用升温法测试铁道车辆K值，可缩短试验时间，提高试验效率，适用于某些需要快速测试轨道车辆K值的研究项目。另外，针对实际测试中车辆容易出现“假热稳定状态”的现象，也可采用升温法辅助判定热稳定法测试的准确性。